JPH02263105A - 被膜厚さ測定器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は基材上のクロム層の上の酸化クロム被膜の厚さ
を測定する被膜厚さ測定器及びこのような層の厚さをこ
の測定器を使用して測定する方法に関する。

本発明を要約すれば、基材上のクロム層の上の酸化クロ
ム被膜の厚さを測定する被膜厚さ測定器は、直線偏光光
を発生する光源（１７）、酸化クロム被膜を通して反射
された楕円偏光光を複数の光束（２０，２１）に分割す
る手段（１９）　、各光束の強度検出器（２２，２３）
、及び測定された強度から酸化クロム被膜の厚さを計算
する手段（２４）を備える。装置及び計算を簡単にする
ため、分割手段は、反射された楕円偏光光を互いに既知
の角度で偏光された２つの部分光束（２０，２１）に分
割するように配され、そして計算手段は２つの部分光束
の測定された強度から楕円率を計算し更に楕円率より厚
さを計算する。

偏光解析法の原理に基づいた被膜厚さ測定器が、ＥＰ−
Ａ−２４９２３５から公知である。この測定器は、直線
偏光光を発生する光源、被膜を通して反射された楕円偏
光光を多数の光束に分割する固定分割手段、各光束の強
度を測定する測定装置、及び測定された強度から被膜の
厚さを計算する計算手段を備える。

この測定器の使用において、直線偏光の入射光束が測定
すべき被膜上に向けられる。入射光束と反射光束とを通
る入射面に平行な偏光方向を有する入射光束の部分は、
入射面に直角な方向・を有する光束の部分とは位相及び
振幅双方とも異なって反射される。その結果、反射され
た光束は一般に楕円偏光となる。これは、反射された光
束の方向に垂直な面における電場強度が楕円を描くこと
を意味する。平行方向及び直角方向における複素振幅の
反射係数の間の比ｒｐ／ｒｓは被膜の厚さの測定基準と
なる。この比は、関係式 ％式％ を使用し、ψとΔ及び１つの強度を測定することにより
測定される。この式において、φは方位角であり、また
角度Δは楕円率として知られる楕円の長軸と短軸との比
から計算される。

ＥＰ−Ａ−２４９２３５の測定器においては、分割手段
として半透明の鏡を使用して反射光束を少なくも３つの
部分光束に分割することにより測定が行なわれる。部分
光束は、それぞれ異なる偏光角を有するアナライザーに
より監視される。偏光の３方向の各々における部分光束
の強度は、光検出器のような目的に適した測定装置を使
用して測定される。

偏光の異なった方向の３つの強度の比から計算手段を使
用して方位角及び楕円の楕円率を計算できる。これらか
ら、上述の式を使用して反射する被膜の厚さを得ること
ができる。

この公知の装置の不便な点は、必要とされる光学システ
ムが比較的複雑であること及び光学的調整についての要
求度が大きいことである。これは、例えば被覆鋼板の生
産環境において特に不便な点一 である。別の不具合な点は、正確な厚さ測定に対して使
用される構成要素の光学特性を正確に知らねばならない
ことである。半透明鏡は入射光束及び反射光束の双方の
偏光方向に影響するので、特に半透明鏡にこの不具合な
点が生ずる。これは楕円決定に際の誤差を生ずる。別の
不具合点は、反射する被膜の厚さを得るために多数の計
算を行わねばならない点である。

偏光ビームスプリッタ−を備えた厚さ測定器は、Ｅ、Ｐ
−Ａ−２７８５７７から公知である。これは基材上の蛋
白質被膜の厚さを測定するための被膜厚さ測定器につい
て記載している。記載されたこの被膜厚さ測定器におい
ては、入射光束はグリースター角で蛋白質被膜上に入射
し、反射光束は偏光ビームスプリッタ−により平行部分
光束Ｒｐ及び垂直部分光束Ｒｓに分割される。

従って、この被膜厚さ測定器は方位角φについての情報
を与えるだけであって酸化クロム被膜の厚さを測定する
には不適である。

上記出願により公式 ％式％） を使用すればＭは計算でき、Ｍは被膜厚さを示す尺度で
ある。記載された被膜厚さ測定器は、例えば光が測定さ
れる被膜に到達するために吸収性基材を通過しなければ
ならない結果として、入射光束と反射光束との強度が変
わるときの使用に対して特に意図されたものである。記
載された被膜厚さ測定器における入射角としてのブリー
スター角は真の（ｔｒｕｅ）屈折率を有する基材層に対
して十分なだけである。クロム上の酸化クロム被膜の場
合は、クロムは複素屈折率を有するので、ブリースター
角は決められない。

本発明の目的は、基材上のクロム層の上の酸化クロム被
膜の厚さの測定に特に適した簡単な被膜厚さ測定器を提
供することである。

本発明の別の目的は、生産環境下における使用に特に適
した被膜厚さ測定器を提供することである。

本発明は、基材上のクロム層の上の酸化クロム被膜の厚
さを測定する被膜厚さ測定器であって、直線偏光光を発
生しこの偏光光を酸化クロム被膜上に向けるための光源
と、酸化クロム被膜を通って反射した楕円偏光光を互い
に予め定められた角度で偏光する２つの部分光束に分割
する分割手段と、部分光束の各々の強度を測定する検出
手段と、２つの部分光束の測定された強度から反射され
た偏光の楕円率を計算しそして楕円率から被膜厚さを計
算するように適合し且つ調整された計算手段を具備する
被膜厚さ測定器を提供する。基材は、鋼、クロム又はそ
の他の材料とすることができる。

驚くべきことに、通常の被膜厚さに対しては、直線偏光
光のある一定の入射角範囲内で直線偏光光を入射させク
ロム上の酸化クロム被膜から直線偏光光を反射させ場合
は、反射光の方位角φ、従って楕円の長軸の角度は入射
面に関して一定であるこ七が試験により見出だされた。

入射角とは、直線偏光光束と基材の垂線との成す角度で
ある。

定且つ既知の方位角ψを用い、反射された光束を互いに
既知の角度で偏光された２つの部分光束に分割しそして
各部分光束の強度を測定することにより角度Δを完全に
決定することがてきる。２つの測定された強度から角度
Δを計算できる。測定すべき被膜の厚さはこの方法で決
定された楕円の知られた楕円率から直接決定することか
できる。

ＥＰ−Ａ−７５６８９は試料から反射された光束か偏光
ビームスプリッタ−を通過するような測光偏光計を記載
している。分割された反射光束はそれぞれ光束の垂直偏
光部分及び平行偏光部分用の検出器に行く。検出器の出
力が試料についての情報を得るために使用される。得ら
れる情報は試料の被膜の生長に関係する。光束の垂直及
び平行の偏光部分からは角度φが計算できるだけである
。

クロム上の酸化クロムの場合は、角度が実際止定である
ことか見出だされた。従って上記の特許出願に記載され
た装置は酸化クロム層の厚さの決定には不適当である。

層の厚さ測定に応用するときは、反射光束の偏光の楕円
率を計算するために、正規化のための入射光束の強度測
定も又含まれる。

これは、３つの光束が測定され計算に使用されることを
意味する。

前記予め定められた角度は９０°であることが好ましく
、更に分割手段は、反射光束を長軸の方向に偏光された
部分光束と短軸の方向に偏光された部分光束とに分割す
ることが特に好ましい。この特別の場合には、測定され
た強度間の比から楕円率を計算することが簡単である。

特に単純であり且つ生産環境における使用に特に適合し
た測定器は、分割手段が「偏光ビームスプリッタ−」を
備えた本発明による被膜厚さ測定器である。本発明者の
発見により、楕円が方位角ψの状態にあるところの方位
角ψは一定でありそして広範囲な一定入射角度内にある
ことが知られた。既知の方位角φにより、偏光ビームス
プリッタ−を、これから出ていく２つの部分光束が楕円
の２つの主軸に沿った電場成分になるように位置付ける
ことができる。

計算手段は、このようにして本発明により、測定された
強度から楕円率の計算に使用される既知で一定の方位角
に関する固定データを好ましくは有する。

本発明による被膜厚さ測定器は、互いに既知の角度で偏
光された２つの光束の位相を一緒に変更するための補償
板を有することが好ましい。この実施例は、角度Δが９
０°の領域にあるような場合の被膜の厚さの測定に特に
適している。

実際上、直線偏光光が基材の垂線と約６０°の角度で基
材き交差するように光源が設定された本発明の被膜厚さ
測定器において良い結果が得られた。ある限度内におい
て、被膜厚さ測定器の感度は、入射光束と基材の垂線と
の成す角度、即ち入射角の増加と共に向上する。角度φ
はかなりの入射角範囲にわたり一定であることが見出だ
されている。０°から約７０°の範囲で、φは極めて僅
かしか変化せず、約４０°である。しかし、被膜の厚さ
に対するΔの感度は入射角と共に変化し、入射角約６０
°で実際上最適であることが見出だされている。光源と
分割手段とは基材面の近くに設定しなければならないの
で、角度の大きいことは具合が悪い。もし基材が動いて
いるストリップである場合には、光源と分割手段とは傷
付けられ易い。傷付けられ易さ、操作の信頼性及び感度
の間の良好な妥協結果は約６０°、例えば５０°から７
０°の角度において見出だされた。クロム上の酸化クロ
ム層の厚さを測定するという実際的な目的のため、角度
はこの範囲内の一定値である。

被膜厚さ測定器の感度は、光源が波長６３３〜２５４ｎ
ｍの光を送るに適したものであるときに良好である。波
長が短くなると被膜厚さ測定器の感度が増加するので、
実際上達成し得る出来るだけ短い波長を選ぶことが好ま
しい。

被膜厚さ測定器が入射光の入射角を一定に保つ支持手段
を備えるならば、そして特にその支持手段が基材上に光
源を支持するローラー、例えば動いている基材に直接接
触しているローラーから成るならば、被膜厚さ測定器の
精度は更に向上する。

被膜厚さ測定器の感度は、入射光束と基材の垂線との成
す入射角に依存する。この結果、測定される厚さも又入
射角の変化に依存する。光源の支持により、入射光束に
関する基材の位置は完全に一定とされ、従って入射角も
一定とされる。

ここに述べられた酸化クロム被膜は純粋な酸化クロム被
膜には限られず、クロムめっきされた鋼上に生ずるよう
な酸化クロムを本質的に含有する被膜も含む。このよう
な酸化クロムは水酸化クロム、不純物及び微孔も含む。

実際上、このようなりロム層に対する被膜厚さ測定器の
精度は、測定器が計算厚さを基材の単位面積当たりの酸
化クロムの絶対量に調整する調整手段を備えるならば向
上することが見出だされた。

ＡＡＳ／測光法のような化学的絶対測定法を使用して、
酸化クロム被膜単位面積当たりのクロム量が測定された
。この方法で得られた結果から被膜厚さを計算し、更に
調整手段を使用して被膜厚さ測定器からの計算値との対
応を行う。

本発明の実施例を添付図面を参照し説明する。

ただし、この実施例は例示のためのものであり本発明を
限定するものではない。

第１図はクロムめっきされた鋼板の断面図である。第１
図において、１はシート上の空気、２は厚さを測定すべ
き酸化クロム、３はクロム層、及び４は鋼の基材である
。鋼ストリップへの電解クロムめっき中、４鋼の上には
クロム被膜が析出されるが、鋼とは反対側のクロム層の
表面には本質的に酸化クロムだけでなく水酸化クロム、
不純物及び微孔をも含んだ被膜が形成される。この説明
においては酸化クロム被膜は実際に形成された１つの被
膜とする。

光束は、基材の垂線６と角度ａを成してクロムめっき鋼
板の表面に当たる。この光束の一部は同じ角度ａで光束
７として反射される。光束６の一部は境界面１−２にお
いて屈折し屈折した光束８として酸化クロム被膜、内に
入る。屈折した光束８の一部は境界面２−３において反
射され光束９として境界面１−２に戻る。引き続き、光
束９は境界面１−２で再び部分的に光束ｌＯとして反射
され、又部分的に光束１１として酸化クロム被膜から出
て行く。総ての光束はここに説明された過程に従って反
射光束を形成し酸化クロム表面から出て行く。

第２図はクロムめっきストリップ１６の表面の垂線１５
と角度ａを成す入射光束５を示す。光束５はヘリウムネ
オンレーザ−１７により発生させられる。ベクトルＥｉ
は入射光束の偏光の方向を示す。ベクトルＥｉは成分Ｅ
ｐｉとＥｓｉとに分解される。成分Ｅｐｉは入射光束５
と反射光束１８とを含む入射面と平行であり、成分Ｅｓ
ｉは入射面に垂直である。

入射面と平行な方向はｐ方向と呼ばれ、入射面に垂直な
方向はＳ方向と呼ばれる。ＥｐｉとＥｓｉとが同じ大き
さになるようにベクトルＥｉとその成分Ｅｐｉとの成す
角度すを４５°に選定するのが一般に好ましい。クロム
めっきストリップ１６上の酸化クロム被膜を通って反射
された光束１８は楕円偏光される。反射光の電場ベクト
ルＥＬの末端は反射光束と直交する平面内で楕円を描く
。

電場ベクトルＥｔはＥｐｔで示されたｐ方向の大きさ、
及びＥｓｔで示されたＳ方向の大きさを持つ。

ここで、関係式 ％式％ を適用する。反射光束を生ずる酸化クロム被膜２の厚さ
は楕円率の大きさφとΔとから誘導できる。

驚くへきことに、クロム／酸化クロムの組み合わせに対
して、方位角φは酸化クロム被膜の厚さと関係なくほぼ
一定で約４０’であること、並びに楕円の楕円率、即ち
短軸と長軸との比は酸化クロム被膜の厚さと共に変化す
ることが見出だされた。

方位角φは約４０’　と一定であるので、楕円の長軸に
より形成されるＳ方向の楕円角も又一定で約４０°であ
る。

従って、厚さ測定器の選定された機械的設定に応じ、方
位角φを約４５°の一定となるように光束５の偏光を選
ぶことが可能である。

短軸と長軸との比は、楕円角約４５°に置かれた偏光ビ
ームスプリッタ−１９上に反射光束が来るようにするこ
とによって決定される。角度Δがπ／２ラジアンの範囲
内にある被膜を測定する場合には、短軸は比較的長い。

被膜厚さ測定器の感度維持のため、被膜厚さ測定器には
設定量により角度Δを変化させる補償板１４が備えられ
る。偏光ビームスプリッタ−から出る２つの光束２０及
び２１の各々の強度は、光検出器２２及び２３を使用し
て測定される。

光検出器２２及び２３の各々の出力は計算ユニット２４
に伝えられる。計算ユニ・ントは、測定された２つの強
度の商の平方根を求めることにより楕円の長軸と楕円の
短軸との比ｑを計算する。幾つかの実際上の限度内では
、比ｑは一次式％式％ に従い、酸化クロム被膜の厚さｄと関係する。定数Ａ及
びＢは絶対測定法により決定される。ＡＡＳ／光度測定
法が適当な絶対測定法であることが見出だされた。

計算ユニット２４は、事実上既に酸化クロム被膜からの
反射についての一定の方位角φに関係した固定データを
含んでいるので、φを別に測定する必要が無く、２つの
検出器２２．２３の出力からだけで偏光の楕円率を計算
することが可能である。入射光束の強度の測定は不必要
である。このようにして測定及び計算はいずれも簡単に
なる。

被膜厚さ測定器は、酸化クロム被膜の連続測定及び自動
システ内の測定ユニットとして特に適している。鋼のス
トリップ上の全クロム量に対しては蛍光Ｘ線装置を使用
できる。実際上、クロム層の厚さは約１０ｎｍであり、
酸化クロム被膜の厚さは２ｎｍと４ｎｍの間である。

本発明の生者と口調及び実施態様につき説明すれば次の
通りである。

■、基材（４）上のクロム層（３）の上の酸化クロム被
膜の厚さを測定する被膜厚さ測定器であって、直線偏光
光を発生する光源（１７）と、酸化クロム被膜を通して
反射された楕円偏光光を複数の部分光束に分割する分割
手段（１９）と、部分光束の各々の強度を測定する検出
手段（２２，２３）と、 測定された強度から酸化クロム被膜の厚さを計算する手
段（２４）を具備して成り、 分割手段（１９）は、反射された楕円偏光光（１８）を
互いに予め定められた角度で偏光された２つの部分光束
（２０，２１）に分割するのに適し、そして 計算手段（２４）は２つの部分光束の測定された強度か
ら偏光の楕円率を計算しそして楕円率から厚さを計算す
るのに適していることを特徴とする被膜厚さ測定器。

２、前記予め定められた角度は９０°である上記ｌに記
載の被膜厚さ測定器。

３、分割手段（１９）は、偏光楕円の長軸方向に偏光さ
れた前記部分光束と、短軸方向に偏光された前記部分光
束とに分割するのに適した上記２に記載の被膜厚さ測定
器。

４、前記計算手段は、楕円偏光光の一定方位角φに関す
る固定データを有し、このデータは部分光束の測定され
た強度から楕円率を計算するのに用いられる上記１乃至
３のいずれかに記載の被膜厚さ測定器。

５、分割手段は偏光ビームスプリッタ−（１９）から成
る上記Ｊ乃至４のいずれかに記載の被膜厚さ測定器。

６、被膜厚さ測定器は、予め定められた角度において偏
光された２つの部分光束の位相を一緒に動かすための補
償板（１４）を備えている上記ｌ乃至５のいずれかに記
載の被膜厚さ測定器。

７、光源（１７）は、直線偏光光（５）が基材の垂線と
約６０°の角度を成して基材に当たるように配置されて
いる上記ｌ乃至６に記載の被膜厚さ測定器。

８、光源（１７）は、波長が６３３ｎｍから２５４ｎｍ
の間の光を送るのに適している上記ｌ乃至７のいずれか
に記載の被膜厚さ測定器。

９、基材上の入射光の入射角を一定に維持する手段を備
えた上記ｌ乃至８のいずれかに記載の被膜厚さ測定器。

１０、支持手段は光源を基材上に支持するための支持ロ
ーラーから成る上記９に記載の被膜厚さ測定器。

１１、計算された厚さを基材の単位面積当たりの酸化ク
ロムの絶対量に調整する手段を備えている上記ｌ乃至ｌ
Ｏのいずれかに記載の被膜厚さ測定器。

１２、上記ｌ乃至１１のいずれかに記載の測定器を使用
する酸化クロム被膜の厚さの測定方法。

【図面の簡単な説明】

第１図は薄い被膜上の光束の反射の図式的表示であり、
第２図は本発明による被膜厚さ測定器の図式的表示であ
る。 １・・・空気 ２・・・酸化クロム ３・・・クロム層 ４・・・基材 ６・・・基材の垂線 ５．７．８．９．１０．１１１８．２０及び２１・・・
光束 １４・・・補償板 １６・・・クロムめっきストリップ １７・・・光源 １９・・・偏光ビームスプリッタ− ２２，２３・・・光検出器 ２４・・・計算ユニット

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基材（４）上のクロム層（３）の上の酸化クロム被
   膜の厚さを測定する被膜厚さ測定器であって、直線偏光
   光を発生する光源（１７）と、 酸化クロム被膜を通して反射された楕円偏光光を複数の
   部分光束に分割する分割手段（１９）と、部分光束の各
   々の強度を測定する検出手段（２２、２３）と、 測定された強度から酸化クロム被膜の厚さを計算する手
   段（２４）を具備して成り、 分割手段（１９）は、反射された楕円偏光光（１８）を
   互いに予め定められた角度で偏光された２つの部分光束
   （２０、２１）に分割するのに適し、そして 計算手段（２４）は２つの部分光束の測定された強度か
   ら偏光の楕円率を計算しそして楕円率から厚さを計算す
   るのに適していることを特徴とする被膜厚さ測定器。 ２、特許請求の範囲第１項記載の測定器を使用する酸化
   クロム被膜の厚さの測定方法。